Proficient method for acoustic sound source location estimation using time difference of arrival

2016 ◽  
Author(s):  
Sakshi Srivastava ◽  
Urvashi Rahul Saxena
Keyword(s):  
Sound Source ◽  
Source Location ◽  
Location Estimation ◽  
Time Difference ◽  
Time Difference Of Arrival

scholarly journals Multiple sound source location estimation and counting in wireless acoustic sensor networks

2018 ◽  
Author(s):  
Αναστάσιος Αλεξανδρίδης
Keyword(s):  
Sensor Networks ◽  
Sound Source ◽  
Data Association ◽  
Source Location ◽  
Location Estimation ◽  
Acoustic Sensor ◽  
Acoustic Sensor Networks

Τα Ασύρματα Δίκτυα Ακουστικών Αισθητήρων αποτελούν μια νέα τεχνική λήψης ακουστικών σημάτων. Πολλαπλοί ακουστικοί αισθητήρες με επεξεργαστική ισχύ και ικανότητες μετάδοσης πληροφορίας διανέμονται σε ένα περιβάλλον όπου τυπικά πολλές ηχητικές πηγές είναι ενεργές. Σε τέτοιες περιπτώσεις, η εκτίμηση της θέσης των πηγών στο χώρο ήταν πάντα ένα ενδιαφέρον ερευνητικό πρόβλημα. Η πληροφορία της θέσης των πολλαπλών ενεργών ηχητικών πηγών είναι σημαντική σε μια πληθώρα εφαρμογών όπως η παρακολούθηση της άγριας πανίδας και η βελτίωση ποιότητας για την εύρωστη λήψη ηχητικών σημάτων. Με την πάροδο των χρόνων αναπτύχθηκαν διάφορες μέθοδοι εύρεσης θέσης με τελικό στόχο την επίτευξη του χαμηλότερου δυνατού σφάλματος. Ενώ έχει γίνει σημαντική πρόοδος προς αυτή την κατεύθυνση, ένας άλλος τομέας που δεν έχει ευρέως μελετηθεί αφορά τους πρακτικούς περιορισμούς που προκύπτουν από το δίκτυο αισθητήρων, οι οποίοι περιορίζουν την πρακτική εφαρμογή τέτοιων μεθόδων σε πραγματικά δίκτυα ακουστικών αισθητήρων. Τέτοιοι περιορισμοί αφορούν την περιορισμένη επεξεργαστική ισχύ των αισθητήρων, τις απαιτήσεις σε εύρος ζώνης που πρέπει να είναι χαμηλές, τις απαιτήσεις για εφαρμογές πραγματικού χρόνου και τα ζητήματα συγχρονισμού μεταξύ των ηχητικών σημάτων. Σε αυτή τη διατριβή, μελετάμε το πρόβλημα της εύρεσης θέσης πολλαπλών ταυτόχρονα ενεργών ηχητικών πηγών σε ένα δίκτυο ακουστικών αισθητήρων και ερευνούμε την ανάπτυξη μεθόδων εύρεσης θέσης που είναι ικανές όχι μόνο να επιτυγχάνουν υψηλή ακρίβεια σε ρεαλιστικά περιβάλλοντα, αλλά επίσης έχουν χαμηλές απαιτήσεις σε εύρος ζώνης, μπορούν να λειτουργήσουν με μη-συγχρονισμένη είσοδο και είναι υπολογιστικά αποτελεσματικές, ώστε να καθιστούν δυνατή την εφαρμογή τους σε πραγματικά δίκτυα ακουστικών αισθητήρων. Θεωρούμε ένα ασύρματο δίκτυο ακουστικών αισθητήρων όπου ο κάθε κόμβος είναι μια συστοιχία μικροφώνων η οποία εκτιμά και μεταδίδει πληροφορία σχετικά με την κατεύθυνση άφιξης των ηχητικών σημάτων των ενεργών ηχητικών πηγών στο περιβάλλον. Αυτή η προσέγγιση επιτυγχάνει χαμηλές απαιτήσεις σε εύρος ζώνης, αφού αρκεί μόνο η μετάδοση των εκτιμήσεων των κατευθύνσεων άφιξης. Επιπλέον, οι τεχνικές εύρεσης θέσης που βασίζονται σε εκτιμήσεις κατευθύνσεων άφιξης μπορούν να λειτουργήσουν όταν τα ηχητικά σήματα μεταξύ των διάφορων κόμβων του δικτύου δεν είναι τέλεια συγχρονισμένα. Αρχικά επικεντρωνόμαστε στο πρόβλημα εκτίμησης θέσης μιας ενεργής ηχητικής πηγής και προτείνουμε έναν υπολογιστικά αποτελεσματικό μη-γραμμικό εκτιμητή θέσης που είναι ικανός να εντοπίσει τη θέση της πηγής με ακρίβεια χρησιμοποιώντας μια επαναληπτική μέθοδο βασισμένη σε πλέγμα. Έπειτα, ασχολούμαστε με την περίπτωση όπου πολλαπλές ηχητικές πηγές είναι ταυτόχρονα ενεργές, θεωρώντας ότι ο αριθμός τους είναι γνωστός. Το βασικό πρόβλημα που προκύπτει στην περίπτωση των πολλαπλών πηγών είναι ότι ο κεντρικός κόμβος που λαμβάνει τις πολλαπλές εκτιμήσεις κατευθύνσεων άφιξης δεν γνωρίζει σε ποια πηγή αντιστοιχούν. Το πρόβλημα αυτό είναι γνωστό ως πρόβλημα αντιστοίχισης δεδομένων (data-association problem). Για να επιλύσουμε αυτό το πρόβλημα προτείνουμε δύο προσεγγίσεις: η πρώτη αφορά την επέκταση της βασισμένης σε πλέγμα τεχνικής σε πολλαπλές πηγές και η δεύτερη χρησιμοποιεί επιπλέον πληροφορία (εκτός των κατευθύνσεων άφιξης) από τους αισθητήρες με σκοπό να βρεθεί η σωστή αντιστοίχιση των κατευθύνσεων άφιξης από τους κόμβους στις ηχητικές πηγές. Έπειτα, θεωρούμε ότι ο αριθμός των πηγών είναι επίσης άγνωστος και προτείνουμε μια μέθοδο ικανή να εκτιμήσει τον αριθμό των πηγών που είναι ενεργές στο περιβάλλον και τις θέσεις τους. Η μέθοδος μας βασίζεται στην ομαδοποίηση εκτιμήσεων θέσης που προκύπτουν για κάθε συχνότητα των ηχητικών σημάτων και έχουν εκτιμηθεί χρησιμοποιώντας τις ανα-συχνότητα εκτιμήσεις κατευθύνσεων άφιξης. Στη συνέχεια μελετάμε το πώς μπορούμε να βελτιώσουμε την ακρίβεια στην εκτίμηση των κατευθύνσεων άφιξής, αφού αυτή αποτελεί έναν σημαντικό παράγοντα που επηρεάζει την ακρίβεια της εκτίμησης θέσης. Προτείνουμε μια τεχνική που μπορεί να συνδυαστεί με οποιαδήποτε μέθοδο εκτίμησης κατευθύνσεων άφιξης για πιο ακριβείς και αξιόπιστες εκτιμήσεις. Τέλος, ερευνούμε και περιγράφουμε δύο παραδείγματα για την δυνητική χρήση της πληροφορίας σχετικά με τη θέση των ηχητικών πηγών σε διάφορες εφαρμογές επεξεργασίας ήχου. Το πρώτο παράδειγμα αφορά τη χρήση της πληροφορίας της θέσης για την παραγωγή ήχου με χωρική πληροφορία και το δεύτερο αφορά τη σχεδίαση ενός σχηματιστή λοβού (beamformer) που χρησιμοποιεί την πληροφορία των θέσης για την ενίσχυση του σήματος μιας ηχητικής πηγής. Αρχικά αποτελέσματα στις δύο αυτές εφαρμογές δείχνουν ότι μέθοδοι που βασίζονται στη θέση των ηχητικών πηγών μπορούν δυνητικά να χρησιμοποιηθούν σε εφαρμογές διαχωρισμού πηγών και βελτίωσης της ποιότητας των λαμβανόμενων ηχητικών σημάτων.

scholarly journals A two-stage approach for passive sound source localization based on the SRP-PHAT algorithm

2020 ◽  
Vol 9 ◽  
Author(s):  
M.A. Awad-Alla ◽  
Ahmed Hamdy ◽  
Farid A. Tolbah ◽  
Moatasem A. Shahin ◽  
M.A. Abdelaziz
Keyword(s):  
Source Localization ◽  
Sound Source ◽  
Microphone Array ◽  
Search Space ◽  
Time Difference ◽  
Sound Source Localization ◽  
Time Difference Of Arrival ◽  
Error Coefficient ◽  
Viable Approach ◽  
Application Requirements

Abstract This paper presents a different approach to tackle the Sound Source Localization (SSL) problem apply on a compact microphone array that can be mounted on top of a small moving robot in an indoor environment. Sound source localization approaches can be categorized into the three main categories; Time Difference of Arrival (TDOA), high-resolution subspace-based methods, and steered beamformer-based methods. Each method has its limitations according to the search or application requirements. Steered beamformer-based method will be used in this paper because it has proven to be robust to ambient noise and reverberation to a certain extent. The most successful and used algorithm of this method is the SRP-PHAT algorithm. The main limitation of SRP-PHAT algorithm is the computational burden resulting from the search process, this limitation comes from searching among all possible candidate locations in the searching space for the location that maximizes a certain function. The aim of this paper is to develop a computationally viable approach to find the coordinate location of a sound source with acceptable accuracy. The proposed approach comprises two stages: the first stage contracts the search space by estimating the Direction of Arrival (DoA) vector from the time difference of arrival with an addition of reasonable error coefficient around the vector to make sure that the sound source locates inside the estimated region, the second stage is to apply the SRP-PHAT algorithm to search only in this contracted region for the source location. The AV16.3 corpus was used to evaluate the proposed approach, extensive experiments have been carried out to verify the reliability of the approach. The results showed that the proposed approach was successful in obtaining good results compared to the conventional SRP-PHAT algorithm.

Sign in / Sign up

Export Citation Format

Share Document